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改寫俄烏戰(zhàn)爭?無人機(jī),一個(gè)飛行的傳感器集群

傳感器專家網(wǎng) ? 來源:傳感器專家網(wǎng) ? 作者:傳感器專家網(wǎng) ? 2022-10-26 10:40 ? 次閱讀

2月24日,俄羅斯突襲烏克蘭,我們見證了歷史:俄烏戰(zhàn)爭打響了。

到10月24日,俄烏戰(zhàn)爭已經(jīng)打了足足8個(gè)月。

期間風(fēng)起云涌,各種高科技武器層出不窮,除了高精制導(dǎo)武器,現(xiàn)在媒體出現(xiàn)最多的字眼是:無人機(jī),一個(gè)飛行的傳感器集群。

獲取更多傳感器行業(yè)深度資訊、報(bào)告,了解傳感器技術(shù)、傳感器與測試技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)……等傳感器知識(shí),請關(guān)注傳感器專家,查看往期內(nèi)容。

傳感器專家網(wǎng)專注于傳感器技術(shù)領(lǐng)域,致力于對全球前沿市場動(dòng)態(tài)、技術(shù)趨勢與產(chǎn)品選型進(jìn)行專業(yè)垂直的服務(wù),是國內(nèi)領(lǐng)先的傳感器產(chǎn)品查詢與媒體信息服務(wù)平臺(tái)。基于傳感器產(chǎn)品與技術(shù),對廣大電子制造從業(yè)者與傳感器制造者提供精準(zhǔn)的匹配與對接。

世界上“首次”無人機(jī)戰(zhàn)爭:中國成背后贏家

近日,美國著名軍事媒體TheDrive的Warzone欄目中,發(fā)布了一篇“標(biāo)題黨”文章:《人類歷史上第一次無人機(jī)空戰(zhàn)完成了》,文章中的視屏被上傳到社交媒體上,引起廣泛熱議。

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據(jù)文章介紹,該視頻拍攝于頓巴斯地區(qū)頓涅茨克上空。

畫面顯示一架由烏克蘭軍隊(duì)控制的大疆四旋翼無人機(jī)在鏡頭中發(fā)現(xiàn)不遠(yuǎn)處懸停著一架由俄羅斯方面控制的另一架大疆無人機(jī),隨后俄方無人機(jī)向?yàn)醴綗o人機(jī)移動(dòng),似乎要主動(dòng)碰撞,結(jié)果在碰撞時(shí)俄方無人機(jī)損壞了一個(gè)螺旋槳葉片,然后墜毀。

因此,TheDrive網(wǎng)站戲稱這是人類歷史上首次無人機(jī)戰(zhàn)爭:一架無人機(jī)試圖擊落另一架無人機(jī)。顯然,如果這也算“空戰(zhàn)”的話,層次也確實(shí)太低了一些。實(shí)際上,各國設(shè)想的無人機(jī)空戰(zhàn),應(yīng)該是一方無人機(jī)發(fā)射導(dǎo)彈,或者使用機(jī)炮,擊落另一方的無人機(jī)。

但毫無疑問,隨著這場戰(zhàn)爭的發(fā)展,無人機(jī)已經(jīng)成為“明星”武器,越來越多地出現(xiàn)在俄烏戰(zhàn)爭中。俄烏戰(zhàn)爭的下半場,已經(jīng)進(jìn)入到以無人機(jī)為主導(dǎo)的交鋒中。

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無人機(jī):一個(gè)飛行的傳感器集群

無人機(jī)的形態(tài)多種多樣,我們一般所見的,軍用無人機(jī)以固定翼無人機(jī)為主,載重、航程較大。民用無人機(jī)則以多旋翼無人機(jī)為主,主要是四旋翼。

此外還有無人直升機(jī)、垂直起降固定翼無人機(jī)等。本文主要討論民用旋翼無人機(jī)。

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為什么說無人機(jī)是飛行的傳感器集群?

因?yàn)樵谝患軣o人機(jī)里,你找不到比各種傳感器更多、更重要的器件!

飛行控制系統(tǒng)(簡稱“飛控”)是無人機(jī)最核心的技術(shù),是無人機(jī)完成起飛、空中飛行、執(zhí)行任務(wù)和返場回收等整個(gè)飛行過程的核心系統(tǒng),也是無人機(jī)區(qū)別于一般航模(飛行玩具)的最主要標(biāo)志。

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簡單點(diǎn)說,飛控就是無人機(jī)的大腦,無人機(jī)的飛行、懸停,姿態(tài)變化等等都是由多種傳感器將飛行器本身的姿態(tài)數(shù)據(jù)傳回飛控,再由飛控通過運(yùn)算和判斷下達(dá)指令,由執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成動(dòng)作和飛行姿態(tài)調(diào)整。

這就類似于人體的大腦,對身體各個(gè)部位發(fā)送指令,并且接收各部件傳回的信息,運(yùn)算后發(fā)出新的指令。例如,大腦指揮手去拿一杯水,手觸碰到杯壁后,因?yàn)樗珷C而縮回,并且將此信息傳回給大腦,大腦會(huì)根據(jù)實(shí)際情況重新發(fā)送新的指令。

飛控系統(tǒng)由傳感器、機(jī)載計(jì)算機(jī)和伺服作動(dòng)設(shè)備三大部分組成,其中,傳感器是使用最多的器件。

一架無人機(jī)要平穩(wěn)地飛行,至少需要持續(xù)測量15個(gè)狀態(tài)量,包括:三維位置、三維速度、三維加速度、三軸角度和三軸角速度等。

一架無人機(jī)至少需要用到包括慣性測量單元(IMU)、GPS、氣壓計(jì)、地磁指南針(磁羅盤)、超聲波傳感器、雙目視覺感知等傳感器,此外還有激光雷達(dá)、傾斜傳感器、電流傳感器、各向異性磁阻(AMR)傳感器、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流量傳感器、位置傳感器和一些溫度傳感器等等在各種無人機(jī)有所應(yīng)用。

可以說,一架無人機(jī)除了外殼,內(nèi)里幾乎都是由各種傳感器組成的!

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各種傳感器在無人機(jī)中的應(yīng)用

各種傳感器在無人機(jī)中有什么應(yīng)用?這是我們所好奇的。

慣性測量單元(IMU)

首先我們來說慣性測量單元(IMU),這是無人機(jī)最核心的傳感器之一。有沒有想過一架無人機(jī)在空中怎么保持平衡?不會(huì)搖搖晃晃、忽上忽下?沒錯(cuò),這就是IMU的作用。

IMU是一個(gè)傳感器模塊,包含不止一種傳感器。一般的,一個(gè)IMU內(nèi)會(huì)裝有三軸的陀螺儀和三個(gè)方向的加速度計(jì),來測量物體在三維空間中的角速度和加速度,并以此解算出物體的姿態(tài)。

為了提高可靠性,還可以為每個(gè)軸配備更多的傳感器。一般而言IMU安裝在無人機(jī)的重心上。

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加速度計(jì)

加速度計(jì)是用來提供無人機(jī)在XYZ三軸方向所承受的加速力,它以g為單位測量加速度,決定無人機(jī)在靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)的傾斜角度。

如果加速度計(jì)不受任何外部加速度的影響,則無人機(jī)將僅測量相對地球的加速度,即重力。假設(shè)3軸加速度計(jì)的放置方式是X軸上的傳感器指向左側(cè),Y軸上的傳感器向下,Z軸上的傳感器向前且不受任何力的影響,則加速度計(jì)將返回以下值:X = 0 g, Y = 1 g, Z = 0 g。如果將同一加速度計(jì)向左偏轉(zhuǎn),則其讀數(shù)將顯示:X = 1 g, Y = 0 g, Z = 0 g。同樣,當(dāng)向右傾斜時(shí),X平面將返回X = -1 g。

給定的加速度測量相關(guān)性,由監(jiān)控加速度計(jì)工作的系統(tǒng)算法來實(shí)現(xiàn)。

陀螺儀

陀螺儀傳感器能監(jiān)測三軸的角速度,因此可監(jiān)測出俯仰(pitch)、翻滾(roll)和偏擺(yaw)時(shí)角度的變化率。即使是一般飛行器,陀螺儀都是相當(dāng)重要的傳感器。

角度信息的變化能用來維持無人機(jī)穩(wěn)定并防止晃動(dòng)。由陀螺儀所提供的信息將匯入馬達(dá)控制驅(qū)動(dòng)器,通過動(dòng)態(tài)控制馬達(dá)速度,并提供馬達(dá)穩(wěn)定度。陀螺儀還能確保無人機(jī)根據(jù)用戶控制裝置所設(shè)定的角度旋轉(zhuǎn)

除了在無人機(jī)上,IMU大多用在需要進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制的設(shè)備,以及需要用姿態(tài)進(jìn)行精密位移推算的場合,如如汽車機(jī)、器人、潛艇、飛機(jī)、導(dǎo)彈和航天器等等都能找到IMU。

地磁指南針(磁羅盤)

顧名思義,地磁指南針(磁羅盤)就是為無人機(jī)指明方向的傳感器,其原理與我們的指南針是一樣的,都是根據(jù)地磁效應(yīng)來指明方向。

不同的是古時(shí)的指南針是很大一個(gè)的機(jī)械裝置,現(xiàn)在的無人機(jī)上的磁傳感器都是基于MEMS技術(shù),通過各向異性磁性電阻材料,感受到微弱的磁場變化時(shí)會(huì)導(dǎo)致自身電阻產(chǎn)生變化來感應(yīng)方向。

一般來說,磁羅盤數(shù)據(jù)還需要加速度計(jì)提供傾斜角度數(shù)據(jù)以補(bǔ)強(qiáng)信息。有了傾斜數(shù)據(jù)加上磁性數(shù)據(jù),就能計(jì)算出正確方位。

同時(shí),磁傳感器容易受到四周磁體和鐵的影響,因此可以用來偵測四周的情況,例如電極、電線、車輛、其他無人機(jī)等等,以避免事故發(fā)生。

氣壓計(jì)

氣壓計(jì)運(yùn)作的原理,就是利用大氣壓力換算出高度。壓力傳感器能偵測地球的大氣壓力。由氣壓計(jì)所提供的數(shù)據(jù)能協(xié)助無人機(jī)導(dǎo)航,上升到所需的高度。準(zhǔn)確估計(jì)上升與下降速度,對無人機(jī)飛行控制來說相當(dāng)重要。

超聲波傳感器

無人機(jī)采用超聲波傳感器就是利用超聲波碰到其他物質(zhì)會(huì)反彈這一特性,進(jìn)行高度控制。前面就提到過近地面的時(shí)候,利用氣壓傳感器是無法應(yīng)對的。但是利用超聲波傳感器在近地面就能夠?qū)崿F(xiàn)高度控制。這樣一來氣壓傳感器同超聲波傳感器一結(jié)合,就可以實(shí)現(xiàn)無人機(jī)無論是在高空還是低空都能夠平穩(wěn)飛行。

GPS(GNSS)

GPS,或者準(zhǔn)確的說是“衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)”,只是因?yàn)槊绹俗钤玳_發(fā)出了GPS導(dǎo)航系統(tǒng)并且沿用至今,成為全球使用最多的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),因此很多時(shí)候我們以GPS代稱,我國的北斗系統(tǒng)也是其中一種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),目前許多衛(wèi)星導(dǎo)航芯片都已支持GPS、北斗等多模導(dǎo)航。

GPS的原理即使通過衛(wèi)星協(xié)助進(jìn)行定位、導(dǎo)航,但無人機(jī)運(yùn)動(dòng)情況復(fù)雜,容易受到建筑物與磁場的影響,存在接收不到GPS的情況,因此常需要與IMU等傳感器數(shù)據(jù)融合計(jì)算,通過算法以盡可能準(zhǔn)確地獲得無人機(jī)的位置信息。

雙目立體視覺感知系統(tǒng)

隨著無人機(jī)的發(fā)展日益成熟,近幾年,雙目立體視覺感知系統(tǒng)已經(jīng)成為無人機(jī)的標(biāo)配。

雙目功能可以讓無人機(jī)在飛行過程中較好的識(shí)別周圍環(huán)境,有利于避障和飛行,無人系統(tǒng)領(lǐng)域?qū)υ摴δ艿氖袌鲂枨蠓浅4蟆?/p>

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雙目立體視覺(Binocular Stereo Vision)是機(jī)器視覺的一種重要形式,它是基于視差原理并利用成像設(shè)備從不同的位置獲取被測物體的兩幅圖像,通過計(jì)算圖像對應(yīng)點(diǎn)間的位置偏差,來獲取物體三維幾何信息的方法。

融合兩只眼睛獲得的圖像并觀察它們之間的差別(視差圖像),使我們可以獲得明顯的深度感,建立特征間的對應(yīng)關(guān)系,將同一空間物理點(diǎn)在不同圖像中的映像點(diǎn)對應(yīng)起來。

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簡單點(diǎn)說,就是利用兩個(gè)攝像頭來模擬出人的雙眼效果,從而判斷出目標(biāo)三維信息,達(dá)到有效避障的目的。

以上這幾種傳感器可以說是無人機(jī)的核心傳感器,缺少這些傳感器,無人機(jī)的飛行功能很可能無法保證。

除此之外,還有許多特定傳感器用在無人機(jī)的各種特別需求中。

譬如激光雷達(dá),激光雷達(dá)是一種發(fā)射激光束探測目標(biāo)的位置、速度等特征量的雷達(dá)系統(tǒng),無人機(jī)通過搭載激光雷達(dá),可以進(jìn)行精確測繪,能夠更好的服務(wù)于電力巡線、林業(yè)調(diào)查、帶狀測圖等應(yīng)用。

還有MEMS麥克風(fēng),是一種能將聲音頻號(hào)轉(zhuǎn)換為電子訊號(hào)的音頻傳感器。MEMS麥克風(fēng)正逐漸取代傳統(tǒng)麥克風(fēng),因?yàn)樗鼈兡芴峁└叩挠嵲氡?SNR)、更小的外型尺寸、更好的射頻抗擾性,面對震動(dòng)時(shí)也更加穩(wěn)健。這類傳感器可用在無人機(jī)的影片拍攝、監(jiān)控、間諜行動(dòng)等應(yīng)用。

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▲無人機(jī)搭載激光雷達(dá)進(jìn)行測繪效果

消費(fèi)級(jí)無人機(jī):我國高科技產(chǎn)業(yè)少有的亮點(diǎn)

集成了數(shù)量眾多的各式傳感器的無人機(jī),是我國高科技產(chǎn)業(yè)少有的亮點(diǎn),有數(shù)據(jù)顯示,在全球消費(fèi)級(jí)(民用)無人機(jī)市場,我國大疆公司占據(jù)了超過70%的市場份額,所有中國民用無人機(jī)廠商占據(jù)全球超過80%市場份額。

這世界只有兩種無人機(jī),一種叫大疆,一種叫其它!

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2020年12月18日,美國商務(wù)部以“違反美國國家安全” 為由,宣布將大疆公司列入所謂出口管制“實(shí)體清單”。

一家企業(yè)被列入美方“實(shí)體清單”,意味著這些企業(yè)要從美國供應(yīng)商那里接收貨品時(shí),必須從美國商務(wù)部申請?jiān)S可證,這個(gè)過程將面臨嚴(yán)格審查。但被列入“實(shí)體清單”的企業(yè)并不被禁止在美國銷售產(chǎn)品。

因此即使大疆被列入美國的“實(shí)體清單”,但憑借過硬的技術(shù)和產(chǎn)品實(shí)力,大疆的無人機(jī)產(chǎn)品在美國市場仍然大賣!

甚至在美國政府提高對大疆等中國公司的關(guān)稅后,大疆對旗下無人機(jī)大幅提高售價(jià),市場份額一度沖破80%,因?yàn)樵S多美國人趕在關(guān)稅提高前大量購買大疆無人機(jī)。

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▲大疆此前在美產(chǎn)品售價(jià)調(diào)整清單(部分)

結(jié)語

為什么消費(fèi)級(jí)無人機(jī)能夠誕生?

這是因?yàn)閭鞲衅鳌⑿酒燃夹g(shù)進(jìn)步,尤其是MEMS技術(shù)的應(yīng)用,能夠?qū)⒁郧昂艽蟮臋C(jī)械傳感器做小,并且大大降低功耗,因此無人機(jī)、手機(jī)智能設(shè)備的應(yīng)用才成為了可能。

以傳感器等“硬科技”組成的基礎(chǔ),才是無人機(jī)、手機(jī)等應(yīng)用設(shè)備生長的沃土。

無人機(jī)等智能設(shè)備帶給普通人,能看見這個(gè)星球上不一樣的美好。但同樣,在不同使用者手中,無人機(jī)也發(fā)揮著冰冷的作用。

希望科技進(jìn)步,是用在更好的生活。

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審核編輯 黃昊宇

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    第四集 知語云智能科技無人機(jī)反制技術(shù)與應(yīng)用--無人機(jī)的組成與工作原理

    科技的視角,深入探討無人機(jī)的組成與工作原理,為您揭開無人機(jī)飛行的神秘面紗。 無人機(jī)的組成結(jié)構(gòu) 無人機(jī)
    發(fā)表于 03-12 11:28

    第二集 知語云智能科技無人機(jī)反制技術(shù)與應(yīng)用--無人機(jī)的發(fā)展歷程

    高精度傳感器和智能算法,無人機(jī)反制系統(tǒng)能夠在短時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)無人機(jī),并對其進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別。隨后,系統(tǒng)會(huì)迅速鎖定目標(biāo),并通過發(fā)射干擾信號(hào)、切斷通信鏈路等方式,迫使無人機(jī)返航或迫降,從而有效
    發(fā)表于 03-12 10:56

    集 知語科技無人機(jī)反制技術(shù)與應(yīng)用--無人機(jī)的定義與分類

    了解無人機(jī)反制技術(shù)與應(yīng)用,為您揭開這神秘領(lǐng)域的面紗。 無人機(jī)技術(shù)概述 1 無人機(jī)的定義與分類
    發(fā)表于 03-12 10:42

    無人機(jī)+紅外熱成像技術(shù)優(yōu)勢

    無人機(jī)無人機(jī),也被稱為無人駕駛飛行器,是種沒有人操控的飛行器。它們可以通過遠(yuǎn)程控制或預(yù)先設(shè)定
    的頭像 發(fā)表于 02-22 18:27 ?692次閱讀
    <b class='flag-5'>無人機(jī)</b>+紅外熱成像技術(shù)優(yōu)勢

    無人機(jī)全景監(jiān)測:空域管理的新革命

    。這種實(shí)時(shí)監(jiān)測和快速響應(yīng)的能力,大大提高了空域管理的效率和安全性。 全面覆蓋與高精度數(shù)據(jù):無人機(jī)全景監(jiān)測能夠?qū)崿F(xiàn)對空域的全面覆蓋,不留死角。同時(shí),高清攝像頭和傳感器能夠獲取高精度的影像數(shù)據(jù),為管理者
    發(fā)表于 02-20 15:23
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